为无线电源系统设计一款符合 Qi 标准的接收机线圈

为了方便理解 Rx 线圈电感的性能，除 L′S 和 Ls 建议测量方法以外，表 2 还对其他参数进行了定义说明。当测量涉及电池时，电池的放置应与其在最终系统中的方向/位置相同。请注意，最终工业设计中所使用的材料也可能会影响最终电感测量结果。因此，当对调谐电路进行配置时，最终测量应使用最终移动设备工业设计的所有组件。表 1 所列测量用于屏蔽和验证可能的 Rx 线圈。

表 2 开发期间需要测量的 Rx 线圈电感参数

表 3 总结了一个可接受型线圈设计的测得电感，以及使用固定串联和并联谐振电容的谐振频率。这里，L′S_b 用于电容计算。(详情参见下一小节“Rx 线圈调谐”。)请注意，它们可能会以L′S的百分比线性变化，并可用作原型线圈验收的一种参考。

表 3 举例线圈测得电感

Rx 线圈调谐

简化版 Rx 线圈网络由一个串联谐振电容 C1 和一个并联谐振电容 C2 组成。这两个电容组成了一个使用 Rx 线圈的双谐振电路(参见图 9)，其大小尺寸必须根据 WPC 规范来正确选择。

图 9Rx 线圈的双谐振电路

若想计算 C1，L′S 时，谐振频率需为 100 kHz：

若要计算 C2，Ls 时，次级谐振频率需为 1.0 MHz。计算要求首先确定 C1，然后代入方程式 7 计算：

最后，品质因数必须大于 77，其计算方法如下：

其中，R 为线圈的 DC 电阻。

Rx 线圈的负载线分析

在选择某个 Rx 线圈时，设计人员需要通过负载线分析(I-V 曲线)比较主级线圈和 Rx 线圈，从而了解变压器特性。这种分析可获得 Qi 标准系统的两个重要条件：(1)工作点特性;(2)瞬态响应。我们将在后面具体讨论。

工作点特性

图 10 负载线分析测试装置

图 10 显示了负载线分析的一个测试配置例子，其参数定义如下：

VIN 为一个 AC 电源，其拥有 19V 峰值到峰值运行能力。

CP 为主级串联谐振电容(A1 型线圈为 100 nF)。

LP 为主级线圈( A1 型)。

LS 为次级线圈。

C1 为受测 Rx 线圈所用串联谐振电容。

C2 为受测 Rx 线圈所用并联谐振电容。

CB 为二极管桥接的大容量电容。25V 时，CB 应至少为 10 µF。

V 为开尔文连接电压表。

A 为串联安培计。

RL 为相关负载。

二极管桥接应由全桥或者同步半桥肖特基二极管以及低侧 n 型 MOSFET 和高侧肖特基构成。分析共有三个测试程序：

1、 向 LP 提供 19V AC 信号，开始频率为 200kHz。

2、 从无负载到预计全负载范围，对所得整流电压进行测量。

3、 降低频率，不断重复前两个步骤，频率降至 110kHz 时停止。

图 11 显示了一个负载线分析举例。该图表明，不同的负载和整流器条件，产生不同的工作频率。例如，1A 时，动态整流器目标为 5.15V。因此，工作频率介于 150kHz 和 160kHz 之间，其为一个可以接受的工作点。如果该工作点超出WPC 规定的 110 到 205 kHz 频率范围，则系统无法收敛，并会变得不稳定。

图 11 示例负载线分析结果

瞬态响应

进行瞬态分析时，有两个重要的点，如图 11 所示：(1)谐振频率(175kHz)下的整流器电压;(2)恒定工作点时从无负载到全负载的整流器电压下降。

本例中，谐振电压为 ~5 V，其高于芯片的 VUVLO。因此，可以保证 Qi 标准系统的启动。如果该频率下电压接近或者低于 VUVLO，则可能无法启动。

如果最大负载步进为 1A，则图 11 中，140-kHz 负载线情况下，电压为 6V 时，本例的压降为 ~1 V。要对这种压降进行分析，无负载时 7V 启动的 140-kHz 负载线，需达到预计最大负载电流要求。压降为负载线两端电压之差。选定工作频率下可以接受的全负载电压应高于 5V。如果低于 5V，电源输出也会降至这一水平。由于 Qi 标准系统的反馈响应较慢，因此进行这种瞬态响应分析是必要的。这种分析，可以模拟系统未对谐振变压器工作点进行调节时可能出现的瞬态特性。

请注意，主级线圈和次级线圈之间的耦合，会因 Rx 线圈对准误差而变得糟糕。因此，我们建议，在存在多种对准误差的情况下对负载线进行多次分析，以确定平面空间中 Rx 是否会中断运行。

结论

本文说明了我们可以运用传统的变压器基本原理，简化无线充电系统的 Tx 线圈设计。但是，通用性和移动设备的特性，也使标准磁学设计方法出现一些独特的变化。仔细阅读和理解前面我们介绍的线圈设计内容，可以增加您一次成功的机率。我们介绍的一些评估方法，可以让您非常有条理地规定和描述一种定制 Rx 线圈。